海底巖溶盾構(gòu)隧道勘察、設(shè)計及巖溶處理關(guān)鍵技術(shù)研究
——以大連地鐵5號線火梭區(qū)間海底隧道為例

周華貴， 何一韜

(1. 中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308； 2. 中交城市軌道交通設(shè)計研究院有限公司， 湖北 武漢 430056)

0 引言

伴隨著國內(nèi)隧道工程建設(shè)的飛躍式發(fā)展，巖溶隧道工程越來越多，其勘察、設(shè)計及施工風險相對較高，得到了業(yè)內(nèi)的普遍關(guān)注。國內(nèi)巖溶隧道在鐵路、地鐵等工程領(lǐng)域均有研究先例： 申志軍[1]對宜萬鐵路巖溶隧道修建關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，主要針對洞內(nèi)勘察、洞內(nèi)水處理等問題開展了研究；李廣濤[2]介紹了廣州地鐵3號線北延段工程盾構(gòu)巖溶隧道勘察鉆孔的布置及加固標準；楊育僧等[3]對廣州市軌道交通3號線客村—大塘盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)選型、盾構(gòu)施工參數(shù)等進行了研究；桂林[4]研究確定了廣州地鐵5號線巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道工程勘察鉆孔布置方案和加固標準；徐恒國[5]針對長沙地鐵3號線過湘江隧道方案，重點對過江巖溶隧道盾構(gòu)方案選型進行了研究；李慎奎等[6]分析了武漢地區(qū)巖溶發(fā)育特征和規(guī)律，總結(jié)了地鐵車站、區(qū)間隧道穿越巖溶區(qū)的處理方法；周超[7]研究出適用于徐州灰?guī)r地區(qū)的巖溶處理方法,并總結(jié)出徐州地區(qū)巖溶發(fā)育特點及分布規(guī)律。前人對巖溶隧道的勘察、巖溶處理、巖溶處理的標準、盾構(gòu)選型等進行的研究，大多針對山嶺隧道、陸域或江河隧道以及小直徑地鐵盾構(gòu)隧道，對海域大規(guī)模巖溶、大直徑盾構(gòu)隧道研究較少。

本文主要針對大規(guī)模海底巖溶勘察如何開展，海底巖溶如何處理及處理達到什么標準，以及如何有針對性地進行盾構(gòu)設(shè)計等問題開展研究，以期為類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

大連市地鐵5號線火車站站—梭魚灣南站區(qū)間下穿大連市鉆石灣海域。區(qū)間盾構(gòu)段全長2 870 m，其中海域段2 310 m、陸域段560 m。區(qū)間采用1臺直徑12.2 m泥水盾構(gòu)施工，盾構(gòu)自梭魚灣南站始發(fā)，穿越海域，向南邊的中間風井掘進，最終到達中間風井接收。圖1為隧道平面示意圖。

圖1 大連地鐵5號線火梭區(qū)間海底隧道平面示意圖

Fig. 1 Plan of Railway Station-Suoyu Station submarine tunnel on Dalian Metro Line 5

隧道采用單洞雙線雙層襯砌方案，設(shè)計參數(shù)為： 管片內(nèi)徑為10.8 m，外徑為11.8 m，環(huán)寬2.0 m，管片厚50 cm，錯縫拼裝；盾構(gòu)隧道管片采用C50、P12鋼筋混凝土，管片8分塊；二次襯砌厚30 cm，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土。圖2為隧道橫斷面示意圖。

圖2 隧道橫斷面示意圖

隧道主要穿過中風化白云質(zhì)灰?guī)r、溶蝕地層、中風化鈣質(zhì)板巖、中風化板巖、少量中風化輝綠巖等，洞頂覆蓋層依次為淤泥、粉土、粉質(zhì)黏土、基巖層。穿越的中風化白云質(zhì)灰?guī)r、中風化鈣質(zhì)板巖、中風化板巖、中風化輝綠巖的單軸飽和抗壓強度最大值分別為91.4、118.2、88.5、116.0 MPa。

隧道范圍內(nèi)巖溶區(qū)長度為1 530 m，其中陸域段180 m、海域段1 350 m。根據(jù)勘察報告顯示，本工程巖溶屬于中等—強烈發(fā)育區(qū)。強烈發(fā)育區(qū)為北岸段329 m、中間段234 m及中風化板巖交界處段213 m。勘察過程中共統(tǒng)計了172個溶洞，平均洞高為2.35 m。其中，全充填型溶洞有133個，占77.3%，平均洞高為2.5 m；半充填型溶洞有12個，占7%，平均洞高為2.2 m；無充填型溶洞有27個，占15.7%，平均洞高為1.8 m。詳勘揭示溶洞最大洞高11.3 m，專勘揭示溶洞最大洞高15 m。

隧道穿越海域水深9～14 m，海底距隧道頂部為12.2～22.8 m，隧道底最大水深約50 m，隧道最大坡度28‰。圖3為隧道縱斷面示意圖。

圖3 隧道縱斷面示意圖

2 海底盾構(gòu)隧道巖溶勘察

2.1 海底巖溶勘察總體思路

巖溶勘察應(yīng)分初勘、詳勘和專勘3階段。初勘階段： 詳細分析隧址區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以及巖溶分布形態(tài)。詳勘階段： 在初勘基礎(chǔ)上有針對性地采用物探方法，進一步摸查清楚巖溶的發(fā)育情況；根據(jù)規(guī)范，劃分巖溶強烈發(fā)育區(qū)及弱發(fā)育區(qū)。專勘階段： 在前期工作的基礎(chǔ)上，對發(fā)育區(qū)間進行針對性勘察，可以采用“跨孔CT物探+鉆探”的方法；布置鉆孔應(yīng)盡量避開詳勘鉆孔，可以通過更多的鉆孔來揭露巖溶；根據(jù)專項勘察結(jié)果，預判可能存在的巖溶區(qū)域，再加密鉆孔，最終巖溶確定以鉆孔探邊結(jié)果為準。

2.2 巖溶勘察方案

在南方地鐵工程巖溶勘察中[8]，大多僅采用加密鉆探。鉆探孔間距一般按5 m×5 m布置，有的甚至按2 m×2 m布置，這種勘察方式費用高且工期長。由于本工程巖溶段長約1 350 m，且位于海面上，經(jīng)過多次專家論證后確定采用“物探+鉆探”方案。目前物探手段有： 電法勘探(電測探法、高密度電法等)、電磁法(瞬變電磁法、電磁波法)、探地雷達、地震勘探(淺層折射波法、淺層發(fā)射波法、瑞雷波法)、彈性波測試(聲波法、地震波法)、層析成像等[9]。通過多方比較，最終選擇電磁波CT法和彈性波CT法進行試驗。

在隧道北岸陸域段進行了彈性波CT法和電磁波CT法跨孔試驗。試驗結(jié)果顯示，由于海水屬于低阻體，對電磁波具有屏蔽效應(yīng)，在孔間距11 m時電磁波CT無法穿透；相反，由于海水的良導電性，有利于電火花震源的能量充分釋放，10 kJ的彈性波CT測試距離可達25 m左右(更高能量至PVC測管爆裂)。最終確定，巖溶專項勘察階段選擇跨孔彈性波CT法。

本工程最大的施工風險是掘進過程中盾構(gòu)栽頭，同時需考慮勘察費用及工期，因此，跨孔CT鉆孔間距及布置尤為關(guān)鍵。根據(jù)盾構(gòu)廠家提供的信息，盾體重心距離盾構(gòu)前端距離為5.3 m，為了防止盾構(gòu)掘進過程中栽頭，跨孔CT鉆孔布置應(yīng)使物探盲區(qū)盡量小于5.3 m。針對以上要求，本工程跨孔CT鉆孔間距及布置方案如下：

1)陸域段巖溶強烈發(fā)育區(qū)，鉆孔間距按11 m梅花型布置，測線連接相鄰2個鉆孔，測線最長約24.27 m，盲區(qū)最大直徑為4.5 m，滿足防止盾構(gòu)栽頭要求。圖4為對應(yīng)CT測線布置示意圖。

圖4 陸域巖溶強烈發(fā)育段CT測線布置示意圖(單位： m)

Fig. 4 Layout of CT line for intensely-developped karst section of land area (unit: m)

2)海域段巖溶強烈發(fā)育區(qū)，鉆孔間距按11 m矩形布置，測線最長約20.9 m，盲區(qū)最大直徑中心區(qū)為5.0 m、邊區(qū)為6.0 m，基本滿足防止盾構(gòu)栽頭要求。圖5為對應(yīng)CT測線布置示意圖。

圖5 海域巖溶強烈發(fā)育段CT測線布置示意圖(單位： m)

Fig. 5 Layout of CT line for intensely-developped karst section of sea area (unit： m)

3)海域段巖溶弱發(fā)育區(qū)，鉆孔間距按20 m間距矩形布置，測線最長約26.77 m，盲區(qū)最大直徑中心區(qū)為8.0 m、邊區(qū)為7.6 m。圖6為對應(yīng)CT測線布置示意圖。

圖6 海域巖溶弱發(fā)育段CT測線布置示意圖(單位： m)

Fig. 6 Layout of CT line for weakly-developped karst section of sea area (unit： m)

4)跨孔CT彈性波的發(fā)射點與接收點位置不同，發(fā)射點在下方，接收點在上方，為斜向上發(fā)射，發(fā)射孔深度比接收孔深度低5 m左右。針對本工程隧底巖溶加固深度不同，跨孔CT鉆孔打設(shè)深度也不同： 加固深度為隧底下5 m范圍，發(fā)射鉆孔深度一般取隧底下10 m；加固深度為隧底下10 m范圍，發(fā)射鉆孔深度一般取隧底下15 m。

2.3 巖溶勘察實施過程及結(jié)果

本工程在隧址北岸陸域段開展了180 m長度的巖溶強烈發(fā)育區(qū)勘察試驗，采用跨孔CT方案，通過多次測試及鉆探檢測，跨孔CT測試結(jié)果與鉆探溶洞基本吻合。通過驗收后，依次開展了海域另外2段巖溶強烈發(fā)育區(qū)的勘察。截至目前，通過詳勘既有鉆孔及專勘新鉆孔驗證，海域跨孔CT物探方案基本可行，達到了預期的目標。

3 海底盾構(gòu)隧道巖溶處理

3.1 海底盾構(gòu)隧道巖溶處理總體思路

海底盾構(gòu)隧道巖溶處理分海面預處理、洞內(nèi)超前處理、工后處理3階段，堅持“以洞外處理為主，洞內(nèi)處理為輔”的原則。具體如下：

1)通過專項勘察，查明隧道周圍影響區(qū)域內(nèi)各種溶洞的位置、規(guī)模、充填物性質(zhì)等。針對溶洞位置、規(guī)模及填充性質(zhì)，對巖溶進行針對性的海面預處理。

2)盾構(gòu)掘進過程中，利用其產(chǎn)生的渣土對巖溶情況預判斷，或通過盾構(gòu)的物探設(shè)備及超前鉆探設(shè)備進行洞內(nèi)超前探測，根據(jù)巖溶情況進行隧道洞內(nèi)預加固處理。

3)盾構(gòu)管片拼裝完成后，對隧道內(nèi)進行全面物探掃描，針對前2階段未發(fā)現(xiàn)及未處理的溶洞進行洞內(nèi)注漿處理，確保隧道運營安全。

3.2 海底巖溶分類及處理

海底巖溶根據(jù)充填狀態(tài)分為充填型、半充填型及無充填型，其中本工程巖溶充填型占77.3%，半充填型占7%，無充填型占15.7%。充填型、半充填型及無充填型3種類型的處理方式如下：

1)無充填型和半充填型巖溶。對直徑大于2 m的無充填型或半充填型巖溶，先采用水泥砂漿填充空洞，再采用袖閥管注漿加固；對直徑小于2 m的無充填型或半充填型巖溶，則采用注漿填充。

2)充填型巖溶。采用袖閥管注漿法填充加固，壓力逐漸增大，間歇并反復壓漿。周邊孔注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，中央孔采用水泥漿。

圖7為巖溶分類處理示意圖。

圖7 巖溶分類處理示意圖

3.3 巖溶隧道加固范圍及檢測標準

3.3.1 巖溶隧道加固范圍

國內(nèi)巖溶盾構(gòu)隧道兩側(cè)加固范圍一般取B=2～5 m，如直徑6 m左右盾構(gòu)隧道，隧道上方及側(cè)面加固范圍取3 m，隧道下方加固范圍取5 m[10]。本工程屬于大直徑海底盾構(gòu)隧道，隧道重要性要求較高，同時隧道的變形及受力要求也較高。為了更好地掌握巖溶對隧道的影響，分別對溶洞直徑1 m、2 m和3 m，位于隧道外2 m、3 m、6 m和10 m不同范圍內(nèi)的多種工況進行有限元結(jié)構(gòu)模擬計算。巖溶位于隧道上方和側(cè)方3 m范圍的計算模型如圖8和圖9所示。

根據(jù)GB 50299—1999《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》[11]，按照隧道洞徑0.2%(23.6 mm)的洞周收斂臨界值以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力是否滿足材料設(shè)計值作為判別巖溶是否需要處理的標準。通過計算，隧道周邊3 m范圍內(nèi)為主影響區(qū)，隧道周邊3～6 m范圍為次影響區(qū)。主影響區(qū)溶洞全部需要處理，次影響區(qū)巖溶直徑3 m以上的溶洞需要處理。具體要求如下：

1)盾構(gòu)管片上方及側(cè)向3 m、下方5 m范圍內(nèi)為主影響區(qū)，此范圍溶洞需全加固，加固范圍如圖10所示；

2)盾構(gòu)管片上方及側(cè)向3～6 m、下方5～10 m范圍為次影響區(qū)，此范圍需探明直徑(長邊或等效長軸)≥3 m的溶洞，加固范圍如圖10所示；

3)對于第2)條次影響區(qū)內(nèi)直徑(長邊或等效長軸)<3 m的溶洞以及上述影響區(qū)以外的溶洞，可不予加固。

圖8 巖溶位于隧道上方3 m模型

圖10 巖溶加固范圍示意圖(單位： m)

3.3.2 巖溶加固檢測標準

巖溶加固范圍確定后，巖溶加固至何種程度需進一步確定。根據(jù)國內(nèi)既有工程，一般加固標準為固結(jié)體28 d無側(cè)限抗壓強度不小于0.15～0.20 MPa，有的甚至達到0.5 MPa，標貫值大于7～10擊[12]。盾構(gòu)掘進過程中，盾構(gòu)基底承載力F≥盾構(gòu)自重G1+覆土自重G2-盾構(gòu)浮力f才是安全的。通過計算，本工程基底承載力為0.08 MPa。

根據(jù)盾構(gòu)基底承載力、詳勘報告及《工程地質(zhì)手冊》[13]，對應(yīng)分析出巖溶加固標貫值，此標貫值需與被加固土體匹配，否則難以實施。針對本工程，巖溶填充物大多為花崗巖殘積土，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》表4-5-88，標貫值為10擊時基底承載力可達到0.20～0.25 MPa，標貫值為15擊時基底承載力可達到 0.24～0.30 MPa。標貫值越高施工難度越大。因此，根據(jù)基底計算承載力、施工難易程度以及既有經(jīng)驗，本工程加固檢測的標貫值取10擊。由于海上取土較困難，本工程對土體無側(cè)限抗壓強度值無要求，只要求溶洞全充填滿即可。具體加固檢測標準如下：

1)檢測原則及數(shù)量。對加固后的溶洞采用隨機鉆孔取芯試驗方法檢測，抽查點數(shù)量不小于注漿孔數(shù)量的1%，且不小于3點；

2)檢測標準為標貫值N≥10擊；

3)當隧道外輪廓線3 m處CT測線揭示到溶洞，需鉆孔驗證并再外擴3 m找邊，加固檢測標準同上；

4)應(yīng)采用二次或多次壓漿工藝，抽芯確保溶洞全部填充。

3.4 海底巖溶海面預處理具體實施方案

巖溶處理可采取“先外后里、先下后上”的方式，對多層溶洞的巖溶先處理下層溶洞，再處理上層溶洞。本工程巖溶主要為3段溶洞強烈發(fā)育區(qū)，其他為弱發(fā)育區(qū)。針對強烈發(fā)育區(qū)，先在區(qū)域外圍打設(shè)止?jié){墻，再在止?jié){墻內(nèi)注漿加固；針對單個溶洞，一般是先探邊，確定范圍后，再進行處理。具體實施方案如下：

1)對于巖溶強烈發(fā)育區(qū)域、溶洞分布密集地層，溶洞處理措施為“隧道兩側(cè)3 m處灌注雙液漿，再在內(nèi)部按充填類型分別采用相應(yīng)的注漿加固措施”。先外側(cè)注雙液漿，形成止?jié){墻后，再內(nèi)部注漿，避免漿液流失。

2)對于單個溶洞，以揭示探出的溶洞鉆孔為基準點，按照4 m×4 m間距布孔(根據(jù)具體情況而定，特殊情況可按2 m×2 m間距布孔)，局部加密鉆孔向四周擴散，以探到溶洞邊線為止，鉆孔兼作注漿孔。對已探明的溶洞根據(jù)其大小，向外圍注雙液漿，使溶洞邊界形成止?jié){墻，內(nèi)部注單液漿進行溶洞處理。圖11為溶洞布孔示意圖。

圖11 溶洞布孔示意圖

3)由于本工程溶洞填充物大多為黏性土，甚至碎石土，僅采用注漿加固的方式即可；個別的溶洞填充物為淤泥質(zhì)層，根據(jù)需要可采用海中攪拌樁或旋噴樁甚至進行洞內(nèi)處理。

4 海底巖溶隧道盾構(gòu)針對性設(shè)計

大連地鐵5號線海域段長2 310 m，其中巖溶段長1 350 m，最大水頭壓力達0.5 MPa，屬于長距離、高水壓、巖溶隧道。巖溶地層盾構(gòu)掘進會帶來覆土坍塌、刀具異常損壞、突涌水、盾構(gòu)栽頭、突然無載荷等施工風險；硬巖地層盾構(gòu)長距離掘進會帶來刀盤刀具磨損、盾尾刷破壞、刀具水密性風險；破碎帶地層(巖溶地層)盾構(gòu)掘進會帶來堵艙滯排風險；高水壓盾構(gòu)掘進會帶來刀具水密性及盾尾刷止水風險。對如此復雜、大規(guī)模的巖溶隧道進行盾構(gòu)掘進施工，在國內(nèi)尚屬首次。本工程在盾構(gòu)設(shè)計上采取了多項措施，以確保順利施工。海底巖溶隧道盾構(gòu)針對性設(shè)計如下：

1)采用泥水氣壓平衡盾構(gòu)，配置43.18 cm(17英寸)和48.26 cm(19英寸)的雙軸雙刃可常壓更換滾刀，減小了帶壓換刀施工風險。

2)刀盤前、后面板均采用耐磨復合鋼板，前面板、外圈梁、滾刀刀筒帶有液壓式磨損檢測功能，減小了長距離掘進施工風險。

3)刀具安裝有旋轉(zhuǎn)、溫度及磨損檢測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)刀具磨損，則立即更換，防止引起其他刀具磨損。

4)盾構(gòu)配置了擺動伸縮主驅(qū)動，利用伸縮缸回收更換正面刀具，利用伸縮擺動功能實現(xiàn)超挖，便于更換最外圈軌跡線上的刀具。

5)由于破碎帶及巖溶地層黏性土較多，盾構(gòu)配置了大流量分區(qū)自動控制的高壓沖刷系統(tǒng)。

6)為應(yīng)對破碎帶、上軟下硬地層，盾構(gòu)配置了艙內(nèi)艙外雙碎石機系統(tǒng)、防滯排環(huán)流系統(tǒng)。

7)針對本工程巖溶地層，盾構(gòu)配置了渣土管理系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)渣土不同，盾構(gòu)操作人員立即采用巖溶地層掘進參數(shù)掘進，減小施工風險。

8)盾構(gòu)配置了超前地質(zhì)預報系統(tǒng)、超前鉆機系統(tǒng)，對地面未處理到的巖溶進行洞內(nèi)探測、洞內(nèi)注漿加固，確保巖溶隧道掘進安全。

9)為了實現(xiàn)長距離、高水壓掘進，盾構(gòu)配置了5道盾尾刷以及盾構(gòu)間隙檢測系統(tǒng)。

5 結(jié)論與建議

本工程長距離穿越海底3段巖溶群，為工程勘察、設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文從巖溶勘察方式、巖溶加固范圍、巖溶加固檢測標準、巖溶處理方案、盾構(gòu)設(shè)計等方面，做了深入研究及分析，結(jié)論與建議如下。

1)海域巖溶勘察難度和復雜性遠遠大于陸域巖溶勘察，勘察前需認真制定詳細的勘察大綱及勘察思路，先從地質(zhì)構(gòu)造上總體分析海底巖溶的分布形態(tài)，然后詳勘摸查巖溶分布規(guī)律，最后采用“跨孔CT物探+鉆探”的方式進行專項勘察。

2)根據(jù)試驗結(jié)果及盾構(gòu)重心等要求，陸域段、海域段巖溶強烈發(fā)育段按照11 m間距布置鉆孔，巖溶弱發(fā)育段按照20 m間距布置鉆孔。

3)本工程巖溶處理范圍： 盾構(gòu)管片上方及側(cè)向3 m、下方5 m范圍內(nèi)為主影響區(qū)，此范圍溶洞需全部加固；盾構(gòu)管片上方及側(cè)向3～6 m、下方5～10 m范圍為次影響區(qū)，此范圍需探明直徑≥3 m的溶洞并進行加固。

4)巖溶處理檢測標準： 通過抗浮計算、理論分析，要求標貫值N≥10；抽芯檢測確保溶洞全部填充。

5)海底巖溶隧道盾構(gòu)針對性設(shè)計主要包括常壓換刀，滾刀旋轉(zhuǎn)、溫度及磨損在線實時檢測裝置，超前地質(zhì)預報系統(tǒng)，超前鉆機系統(tǒng)，雙碎石機及防滯排環(huán)流系統(tǒng)等，確保施工安全，降低施工風險。

6)海底巖溶隧道處理應(yīng)分海面預處理、洞內(nèi)超前處理、工后處理3階段，堅持“以洞外處理為主，洞內(nèi)處理為輔”的原則。

7)海底巖溶隧道施工難度大、風險高，建議在隧道前期研究階段對勘察做一個全面的總體實施規(guī)劃，避免出現(xiàn)因初勘、詳勘及專勘脫節(jié)導致的勘察投入多、工期長、勘察效果差的情況，確保隧道施工安全，提高工程建造質(zhì)量。